Netwærk og datakommunikation. Per P. Madsen AAU1 Per P. Madsen Sektion for automation og kontrol Institut for elektroniske systemer Aalborg Universitet.

Præsentationer af emnet: "Netwærk og datakommunikation. Per P. Madsen AAU1 Per P. Madsen Sektion for automation og kontrol Institut for elektroniske systemer Aalborg Universitet."— Præsentationens transcript:

1 Netwærk og datakommunikation. Per P. Madsen AAU1 Per P. Madsen Sektion for automation og kontrol Institut for elektroniske systemer Aalborg Universitet

2 Per P. Madsen AAU2 Del 1 : Grundlæggende datanet og OSI-modellen - Introduktion til datakommunikation. - OSI-modellen. - Det fysiske lag. Herunder det teoretiske fundament, medier og modulation. - Data link laget. Herunder fejl detektering, flow kontrol, medie acces kontrol og realtime.

3 Per P. Madsen AAU3 Introduktion til datakommunikation. Overførsel af data fra en computer til en anden. Netværk Host Denne kommunikation er specificeret vha. en Protokol

4 Per P. Madsen AAU4 LAN netværk. Host Point-to-Point. Fx RS-232 Host..... Broadcast. Fx Ether, Wireless, RS-485.

5 Per P. Madsen AAU5 WAN netværk. Subnet Host Router

6 Per P. Madsen AAU6 Introduktion til datakommunikation. Overordnede krav: 1.Hastighed: Throughput, delay, jitter. 2.Sikkerhed: Integritet, tilgængelighed, fortrolighed, anonymitet. 3.Driftsikkerhed: MTBF, redundans.

7 Per P. Madsen AAU7 Introduktion til datakommunikation. Hastighed InformationsflowTrafik karakteristikTrafikkravKapasitetskrav Interaktiv trafikSporadiskDelay, PålidelighedFå Kbps Ikke interaktiv trafikStokastiskThroughputMeget forskellig. Ofte få Mbps Interaktiv videoPeriodiskThroughput, DelayVariere afhængig af kvaliteten.Typisk: 64 Kbps – 100 Mbps Interaktiv audioPeriodiskDelay, JitterVariere afhængig af kvaliteten.Typisk: 2 Kbps – 100 Kbps StreamingPeriodiskThroughputAfhænger af indhold. (Video og/eller audio) FeedbackPeriodiskDelay, JitterFå Kbps

8 Per P. Madsen AAU8 Introduktion til datakommunikation. Sikkerhed. SikkerhedsaspektMetode IntegritetCRC-check. PAR-protokoller. Fejlrettende koder. FortrolighedKryptering. AnonymitetP2P-kommunikation Proxy chain TilgængelighedAcces kontrollister. Password. Firewalls.

9 Introduktion til datakommunikation. Hvordan gør man ? Per P. Madsen AAU9

10 10 Protokolhieraki. Lag 1 Lag 2 Lag 3 Lag 4... Protokol Interface Service, som det underliggende- lag stiller til rådighed for det overliggende lag Fysisk medie

11 Per P. Madsen AAU11 Design kriterier. 1.Et lag skal oprettes, når en given abstraktion er nødvendig. 2.Et lag skal varetage en afgrænset og vel defineret opgave. 3.Lagene skal vælges generelle og standardiserbare. 4.Lagene skal vælges således, at der er lille kobling mellem lagene. 5.Antallet af lag skal være så stort, at hver lag, så vidt muligt, kun varetager en funktion.

12 Per P. Madsen AAU12 Lagdelte protokoller. Lag 2 Protokol 2 Interface 1 Interface 2 Fysisk net Start med en header. Fx 10101010 Modtager-adresse. Sender-adresse. Type. Data/Packet. Checksum. HeadM-adrS-adrTypeDataCRC Frameformat Frame Lag 1 Protokol 1 Packet Interface 3 Fysisk signal

13 Per P. Madsen AAU13 Encapsulation Lag 2 Fysisk net Frame Lag 1 Packet Fysisk signal Lag 2 HeaderPacketHeaderFrame HeaderData-unit

14 Per P. Madsen AAU14 Protokol. Protokol 1: Stiktype, Signalniveauer, Bit-hastighed, Medietype,... Fx: Rs232, 10Base-T Protokol 2: Frameformat, Timing, Media acces control. Fx. Ethernet, ARC-net, IEEE 802.XX osv. Lag 2 Protokol 2 Interface 1 Interface 2 Fysisk net Frame Lag 1 Protokol 1 Packet Interface 3 Fysisk signal

15 Per P. Madsen AAU15 OSI referencemodellen. En model, der definerer syv standard protokollag til datakommunikation mellem to computere. (Day og Zimmermann 83) 7: Applikationen. - WWW, FTP, E-mail,... 6: Præsentationslaget. - Datakonvertering. 5: Sessionslaget.- Acceskontrol. 4: Transportlaget.- Integritet. 3: Netværkslaget.- Routing. 2: Datalinklaget.- Medieacces. 1: Det fysiske lag.- Fysisk overførsel af data.

16 Per P. Madsen AAU16 OSI modellen Network Networks protokol Fysisk Fysisk protokol Data link Data link protokol Transport Transport protokol Session Sessions protokol Presentation Presentations protokol Applikation Applikations protokol Bit Frame Packet TP-Data Unit SP-Data Unit PP-Data Unit AP-Data Unit Network Fysisk Data link Transport Session Presentation Applikation

17 Per P. Madsen AAU17 OSI modellen Network Fysisk Data link Transport Session Presentation Applikation LAN håndtering fx: Ethernet. Frameformater Tilgangsmetoder Checksum Sliding Window WAN håndtering fx IP-protokollen Adressering Routing Multicastning Håndtering af integritet fx TCP - protokollen Connection Reliabel Sekvens Flow Control Buffering Stream Congestion control Etablering af kommunikation Passwords Håndtering af multi-user tilgang Evt. håndtering af fortrolighed. Fx SSL Syntaks og semantik Datakonvertering Big endian/small endian WWW FTP Mail rlogin telnet..... Medie Modulation Niveauer Hastigheder

18 Per P. Madsen AAU18 Det fysiske lag Network Fysisk Data link Transport Session Presentation Applikation Medie Modulation Hastigheder

19 Per P. Madsen AAU19 Det fysiske lag Fysisk Fysisk protokol Bit Fysisk Shannons theorem: Max antal bit /sek = H log2(1 + S/N). Hvor: H er båndbredden i Hz. S/N er signal/støj forholdet Dvs. Hurtig forbindelse kræver: Stor båndbredde. Stort signal/støj forhold.

20 Per P. Madsen AAU20 Det fysiske lag: RS-232 UART+line driver RS-232 UART+line driver

21 Per P. Madsen AAU21 Det fysiske lag: Medie Fysisk Twisted pair. Coaxial kabel. Optisk fiber. WireLess.

22 Per P. Madsen AAU22 Twisted pair

23 Per P. Madsen AAU23 Twisted pair Kategori 5. Typisk båndbredde: op til 600 MHz. Typisk transmissionshastighed: Op til 1 Gbps. Kategori 3. Typisk båndbredde: op til 250 MHz. Typisk transmissionshastighed: Op til 10 Mbps. Kategori 5e Kategori 6: Op til 10 Gbps Kategori 7

24 Per P. Madsen AAU24 Coaxial kabel Typisk båndbredbe: op til 1 GHz. Typisk transmissionshastighed: > 100 Mbps.

25 Per P. Madsen AAU25 Optisk fiber

26 Per P. Madsen AAU26 Optisk fiber Core Cladding Escaping light

27 Per P. Madsen AAU27 Optisk fiber

28 Per P. Madsen AAU28 Optisk fiber Chromatic dispersion og Attenuation i optisk fiber Lys ind Lys ud Typisk dæmpning: 0.2 dB/km eller ca 5 %. Typisk båndbredde: 30.000 GHz. Dvs. ideelt > 30 Tbps Typisk transmissionshastighed: Op til 10 Gbps eller mere

29 Per P. Madsen AAU29 Wire Less

30 Per P. Madsen AAU30 Wire Less

31 Per P. Madsen AAU31 Wire Less Lav data hastighedHøj data hastighed Små afstande. Store afstande.

32 Per P. Madsen AAU32 GSM Digitalt mobiltelefon net 2G: Egenskaber: Hastighed: 9.6 Kbps. Multiplexing : TDMA - Time Division Multiple access. Rækkevidde. Op til 70 km. Strømforbrug: Relativ lav. Batteri levetid, flere timer Pris: Relativ lav. Frekvensbånd: 1.8 GHz Modulation: GMSK – Gaussian Minimum Shift Keying. Anvendelse: Mobiltelefoni, primært tale.

33 Per P. Madsen AAU33 Multiplexning Hvordan kan flere bruge det samme medie på samme tid ? 1.Space division multiplexing. SDM 2.Frequency division multiplexing. FDM 3.Time division multiplexing. TDM 4.Code division multiplexing. CDM

34 Per P. Madsen AAU34 Space division multiplexing. SDM Hver sender sit eget medie. Fx. Gamle analoge telefoner, en ledning til hver samtale. Radio og TV stationer med så stor afstand, at de kan bruge samme frekvens. Simple punkt til punkt protokoller som RS-232

35 Per P. Madsen AAU35 Frequency division multiplexing. FDM Hvis kommunikationsmediet har N gange større båndbredde, end den enkelte sender kræver, kan man sende op til N datastrømme samtidigt.

36 Per P. Madsen AAU36 Frequency division multiplexing. FDM Fordel: Ingen dynamisk koordination. Fungerer også for analoge signaler. Ulemper: Spild af båndbredde, hvis trafikken er ulige fordelt. Ufleksibel.

37 Per P. Madsen AAU37 Time division multiplexing. TDM

38 Per P. Madsen AAU38 Time division multiplexing. TDM Fordel: Kun en carrier på mediet. Høj udnyttelse. Fleksibel Ulemper: Kræver præcis synkronisering.

39 Per P. Madsen AAU39 Frequency and Time division multiplexing. Fx GSM Fordel: Bedre beskyttelse mod aflytning. Bedre beskyttelse mod frekvensselektiv støj. Ulemper: Kræver præcis synkronisering.

40 Per P. Madsen AAU40 Code division multiplexing. CDM a: Chip sequence b: Bipolær chip sequence c: Eks. på transmissioner d: Det, som C modtager Krav: 1.Chip sekvenserne er ortogonale. Dvs. samme antal, ens og forskellige, bit 2.Signalerne adderer lineært.

41 Per P. Madsen AAU41 Code division multiplexing. CDM eller Code division multiple Access. CDMA Fordel: God beskyttelse mod aflytning. Ingen koordinering og synkronisering nødvendig. Ulemper: Forholdsvis lav datarate. Mere kompleks signalgenerering og rekonstruktion.

42 Per P. Madsen AAU42 GSM Digitalt mobiltelefon net 2G: Egenskaber: Hastighed: 9.6 Kbps. Multiplexing : TDMA - Time Division Multiple access. Rækkevide. Op til 70 km. Strømforbrug: Relativ lav. Batteri levetid flere timer Pris: Relativ lav. Frekvensbånd: 1.8 GHz Modulation: GMSK – Gaussian Minimum Shift Keying. Anvendelse: Mobiltelefoni, primært tale.

43 Per P. Madsen AAU43 Modulation Hvordan kan digitale signaler sendes gennem en analog kanal? Brug et modem. Grundlæggende metoder: b: Amplitude mod. c: Freq. mod. d: Fase mod.

44 Per P. Madsen AAU44 Avanceret fase modulation Fase modulation – Phase Shift Keying. PSK Dvs faseskift af bæresignalet. Fx 45, 135, 225 og 315 grader. Dvs 2 bit pr skift. QPSK – Quadrature Phase Shift Keying(a). Eller kombineret Amplitude modulation med fase modulation Fx fire faser og fire amplituder: QAM-16 Quadrature amplitude modulation(b) dvs 4 bit pr skift.

45 Per P. Madsen AAU45 Avanceret frekvens modulation Frekvens modulation – Frequnce Shift Keying. FSK Avanceret – kombineret fase og frekvens modulation. MSK Minimum shift keying, QMSK Gaussian-MSK (GSM) Data Even Odd MSK F1: lav frekvens, F1n: lav frekvens 180 grader fase. F2: høj frekvens, F2n: høj frekvens 180 grader fase. Hvis: Even & Odd send F2 Even & ikke Odd send F1n Ikke Even & Odd send F1 Ikke Even & ikke Odd send F2n

46 Per P. Madsen AAU46 UMTS Digitalt mobiltelefon net 3G: Egenskaber: Hastighed: fx 384 Kbps. Med QoS. Multiplexing: CDMA/FDD - Code Division Multiple access./ Freq. division duplex Rækkevidde: Mange km. Strømforbrug: Relativ lav. Batteri levetid, flere timer Pris: Relativ lav. Frekvensbånd: 2.0 GHz Modulation: QPSK – Quadrature Phase Shift Keying. Anvendelse: Mobiltelefoni, tale og data.

47 Per P. Madsen AAU47 Grundlæggende Datanet Wire Less Lav data hastighedHøj data hastighed Små afstande. Store afstande.

48 Per P. Madsen AAU48 Grundlæggende Datanet ZigBee Billigt strømsvagt lavhastigheds net: Egenskaber: Hastighed: 20 Kbps eller 128 Kbps Multiplexing : FDMA – Freq. Division Multiple access Størrelse: CSMA/CD 255 enheder pr netværk. Rækkevidde: 100 m Strømforbrug: Lille. Bateri levetid > 1 år Pris: lav. Få kroner. Frekvensbånd: 2.4 GHz og 868/915 MHz Modulation: DSSS – Direct sequence spread spectrum. Anvendelse: Automation, fjernbetjening, Kom. med I/O enheder osv.

49 Per P. Madsen AAU49 Grundlæggende Datanet Bluetooth Kontor netwærk. Egenskaber: Hastighed: Op til 720 Kbps Multiplexing: FDMA – Freq. Division Multiple access Netstørrelse: Op til 8 enheder i et piconet ( en master og 7 slaver) Piconet kan kombineres til større scatternet. Rækkevidde: 10 m Strømforbrug: Relativ lav. Batteri levetid flere timer Pris: Relativ lav. < 100 kr. Frekvensbånd: 2.4 GHz Modulation: FHSS – Freq. Hopping spread spectrum. Anvendelse: Trådlød notebook, headset. Printere osv.

50 Per P. Madsen AAU50 Grundlæggende Datanet 802.11b Wireless Ethernet. Egenskaber: Hastighed: op til 11 Mbps Størrelse: Ubegrænset CSMA/CA. Rækkevidde: Op til 300 m Strømforbrug: Relativ højt. Batteri levetid ca en time Pris: Relativ lav. Frekvensbånd: 2.4 GHz Modulation: DSSS med CCK – Direct Sequence Spread Spectrum med Complementary Code Keying Anvendelse: Trådlød internet.

51 Per P. Madsen AAU51 Grundlæggende Datanet 802.11a Wireless højhastigheds Ethernet. Egenskaber: Hastighed: op til 54 Mbps Størrelse: Ubegrænset TDMA/TDD.. Rækkevidde: Op til 200 m Problemer med mure og andre genstande. Pris: Relativ høj. Frekvensbånd: 5 GHz Modulation: OFDM - Orthogonal Freq. Division Multiplexing. Anvendelse: Trådlød internet, distribueret computing.

52 Per P. Madsen AAU52 Grundlæggende Datanet 802.11b Wireless Ethernet. Egenskaber: Hastighed: op til 11 Mbps Størrelse: Ubegrænset CSMA/CA. Rækkevidde: Op til 300 m Strømforbrug: Relativ højt. Batteri levetid en time Pris: Relativ lav. Frekvensbånd: 2.4 GHz Modulation: DSSS med CCK – Direct Sequence Spread Spectrum med Complementary Code Keying Anvendelse: Trådlød internet. DataLink laget

53 Per P. Madsen AAU53 Grundlæggende Datanet Datalink laget Protokol: Frameformat, Timing, Media acces control fx. Ethernet, ARC-net, IEEE 802.XX osv- Datalink Protokol 2 Fysisk net Fysisk lag

54 Per P. Madsen AAU54 Grundlæggende Datanet Ethernet Fysisk DataLink Fysisk DataLink Fysisk DataLink Fysisk DataLink Fysisk Data Link LLC MAC CSMA/CD IEEE 802.2 IEEE 802.3 Net segment Fx. 10Base-T, 100Base-TX, 100Base-FX

55 Per P. Madsen AAU55 Ethernet – Fysisk lag 100 Mbps Twisted Pair: 100BASE-TX: 100 Mbps Fiber Optic: 100BASE-FX: 100 Mbps Twisted-Pair: 100BASE-T4: 10 Mbps Thick Coaxial: 10BASE5: 10 Mbps Thin Coaxial: 10BASE2: 10 Mbps Twisted Pair: 10BASE-T: 10 Mbps Optisk Fiber: 10BASE-F:

56 Per P. Madsen AAU56 Ethernet – Fysisk lag

57 Per P. Madsen AAU57 Hub og Switch Hub Fældes net segment Switch Bridge

58 Per P. Madsen AAU58 Grundlæggende Datanet Ethernet 8662 46-1500 4 Ethernet Frame Preamble Dest. add. Src. add. Length Header Payload CRC Fysiske adr. eller MAC adr.

59 Per P. Madsen AAU59 Grundlæggende Datanet CSMA/CD

60 Per P. Madsen AAU60 Grundlæggende Datanet CSMA/CD

61 CSMA/CA Wireless LAN The MACA protocol: (a) A sending an RTS to B. (b) B responding with a CTS to A.

62 CSMA/CA Wireless LAN

63 Per P. Madsen AAU63 CSMA/CA

64 Per P. Madsen AAU64 CAN-Data Frame CAN 2.0A CAN 2.0B

65 Per P. Madsen AAU65 Token bus net: fx: ARCNET Host 1Host 2Host n..... Hastighed: max 10 Mbit/s Antal hosts pr. segment: 255 dvs ID: 1-255

66 Per P. Madsen AAU66 Opstart af token Hvis en maskine ikke er med dvs: ingen INVITATION TO TRANSMIT i 420  S. Så råber den ''ALLE SKAL DØ'' RECONFIGURATION BURST 111111110.... 765 gange Herefter: Når bus bliver IDLE, vent 41  S + 73  S * (255-ID) ------------------------------------------------------------------------------------ Hvis stadig IDLE så: Send INVITATION TO TRANSMIT til mig selv samt find næste host med mindre ID. Ellers: Vent til en sender INVITATION TO TRANSMIT til mig

67 Per P. Madsen AAU67 Find NID NID er ID'en for den host med nærmeste, og lavere ID. NID = ID NID--; Send ITT to NID hvis ingen aktivitet i 37,4  S så hop: ellers stop ca 3 km frem samt tilbage= 15  S + 15  S plus opstartstid ca 6.4  S.

68 Per P. Madsen AAU68 Data transmission Sender: ID Modtager: DID ITT til ID send FBE send ACK send DataPacket send ACK ITT til NID

69 Per P. Madsen AAU69 TDMA

70 Per P. Madsen AAU70 DataLink MAC protokoller: ProtokolEgenskab CSMA/CDIkke Realtime. God udnyttelse af kanalen. Ingen koordinering. CSMS/CARealtime for højeste prioiteter. Mindre god udnyttelse af kanalen. Ingen koordinering. Token busRealtime. Mindre god udnyttelse af kanalen. Koordinering. TDMARealtime. Rimelig god udnyttelse af kanalen. Koordinering.

71 Per P. Madsen AAU71 Transmission Error Control Tilføje ekstra bit til pakker således, at der bliver en given mindste afstand (Hamming afstand) mellem lovlige pakker. Fx. Even paritet, som giver Hamming afstanden på 2.

72 Per P. Madsen AAU72 CRC - Cyclic Redundancy Check IEEE 802.3 CRC-32: x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x1+1 Dvs 10000 0100 - 1100 0001- 0001 1101 - 1011 0111 ARCnet: CRC-16 x^16 + x15 + x ^ 2 + 1 Dvs 11000 0000 - 0000 0101 CAN bus: CRC-CCITT X^16+X^12+X^5+1 Dvs 10001 0000 - 0010 0001

73 Per P. Madsen AAU73 CRC - Cyclic Redundancy Check De mest brugte CRC polynomier: CRC-16: X^16+X^15+X^2+1 CRC-CCITT: X^16+X^12+X^5+1 CRC-32: X^32+X^26+X^23+X^22+X^16+X^12+ X^11+X^10+X^8+X^7+X^5+X^4+X^2+X+1 Både CRC-16 og CCRC-CCITT er for 8 bits streams. CRC-32 giver ekstra sikkerhed, da der genereres en 32 bit Checksum. CRC-32 bruges i fx. (IEEE-802).

74 Per P. Madsen AAU74 CRC - Cyclic Redundancy Check Polynomie: 10011 Data: 1101011011 110000 10011 :1101011011 10011 00001 00000 00010 00000 00101 00000 01011 Remainder: Checksum 00000 1011